一个里程碑式的成就:核聚变实验产生净能量输出——那么这在实际中意味着什么呢?此外，吸收红外线的眼镜可以自动除雾。磁铁如何帮助解决伦敦地铁的污染问题……
在这一集里
核聚变的突破
帝国理工学院的Brian Applebe和脉冲星聚变的Richard Dinan
本周早些时候，位于加州的美国国家点火装置(US National ignition Facility)的研究人员表示，核聚变实验释放的能量超过了他们用来启动实验的高功率激光器所吸收的能量，这被称为“点火”或“能量增益”的里程碑式成就。那么为什么这是一个令人兴奋的结果呢?与我们一起解释的是帝国理工学院的核物理学家布莱恩·阿普尔比，以及《聚变时代》一书的作者、开发聚变反应堆的脉冲星聚变公司的首席执行官理查德·迪南……
布赖恩-核聚变有潜力成为一种革命性的能源，因为本质上它是核能的一种形式。但与核裂变不同的是，我们目前的发电厂是基于核聚变能的，它产生的放射性废物很少。它不会使用化石燃料，因此对温室气体排放的贡献很小。最后，我们用于核聚变的燃料很容易得到。我们可以从海水中提取很多燃料，然后我们可以在反应堆中培育聚变所需的其他燃料。所以它有能力成为一种革命性的能源。这是非常困难的。上周的实验本质上是一个里程碑，我们已经完成了许多挑战中的一个，我们需要一个商业核聚变能源。
克里斯:很明显，我们知道它是有效的，因为这就是太阳的运作方式，太阳已经存在了几十亿年，我们认为它还会再存在几十亿年。那么我们需要克服哪些挑战才能意识到太阳在地球上的作用呢?
布莱恩:是的，那是真的。所以我们知道它是有效的，但是我们50年来一直在努力做的是在实验室里以一种可控的方式来做，这样我们就可以得到精确的能量，我们基本上可以控制实验的所有阶段。所以我们上周所做的，或者是在加州利弗莫尔所做的，就是从聚变燃料中释放出来的能量比最初用来加热它的能量要多。然而，这些能量是以高能中子的形式释放出来的。所以我们首先要做的是扩大这个实验的规模，这样我们就能产生自然有用的能量。其次，我们必须找到从高能中子中获取能量并发电的方法，这是一种有用的能量形式。
Chris - Richard，我想我们现在已经进入了这样一个时代，我们不再认为这是天上掉下来的馅饼。我想，人们不会听说你在经营一家建造聚变反应堆的公司，他们会翻白眼。
几周前，我在瑞士的一个会议上提到核聚变是一种可能的技术。观众中有一个人真的笑了。他们说，‘啊，好像这永远不会发生似的’。所以对核聚变技术的怀疑是非常真实的。因此，对于这个行业的每个人来说，这确实是正确的，我认为很多人现在都在建议他们的范式。
克里斯-你们这样的企业都在朝着什么样的时间表努力呢?所以当你寻求投资时，当你让人们来投资时，商业计划的时间表是什么?
理查德:嗯，我的意思是，就像我们刚才说的，聚变是太阳在做的事情，但是我们没有太阳。你知道，正如人们所提到的，这是一个了不起的成就，但还有很多事情要做。所以在投资期限上，你不是在谈论三到五年的期限，直到你获得利润。这是为那些认真投资的人准备的，他们希望他们的孩子能享受这并不是很多风险资本家做的事情，这仍然不符合他们的模式。
Chris - Brian，当我们试图克服这些挑战时，我们从加州听说，他们正在使用激光来启动反应并测量出多少能量。这可能是一种方法，因为我们在英国也有其他人在做类似的实验。在牛津郡的Jet，我们有一个国际合作的反应堆，ITER，正在法国建造，我想他们到目前为止已经在这上面花费了230或240亿美元，不是吗?但是，所有这些东西都是在一个类似的方向上工作，还是它们都以不同的方式解决问题，这些都是增量知识?这些到底是怎么加起来的?
布莱恩:在一个非常基本的层面上，他们都在试图解决同样的问题，那就是，为了进行一个成功的聚变实验，你需要使等离子体，也就是聚变燃料，变得非常热。它需要比太阳中心更热，这样聚变反应才能真正发生。其次，你必须让等离子体保持足够长的时间，这样你才能有足够的反应来产生有用的能量。所以有一系列不同的方法，你可以用这些方法来处理加热加上限制或密封的问题。在利弗莫尔的一端，他们使用激光，但实际上他们并没有做任何实际的遏制。它们把等离子体撞击在一起，压缩它，使它的密度，是水的一万倍整个实验在十亿分之一秒内就结束了。在另一个尺度上，你有一些像喷气机这样的东西，你本质上是拿一些密度很低的等离子体，用磁场来限制它，做容器。在这两个极端之间，有很多不同的方法。一些初创公司正在寻找不同的方法，你可以把这些限制和加热方法结合起来。我认为这是一种涨潮，可以提升所有的船只，你知道，如果一个实验成功了，我们就能了解等离子体的行为，这可以与其他实验相关。
Chris - Richard，你们公司的任务之一是太空推进系统。核聚变是如何融入其中的?
我的意思是，就像你刚才说的，有几种方法可以做到这一点，他们刚刚在NIF做的，就是用这些大激光进行惯性约束。很多科学家，你知道，一直非常关注我们如何进行核聚变而不是我们应该如何进行核聚变。因为我们必须控制它，我们必须能够利用它，利用这些中子来发电。我同意电磁约束，就像你刚才说的在Jet或者ITER，非常非常适合电站核聚变。但是核聚变给我们带来了另一个希望。这不仅是为我们的星球提供无限动力的能力，也是离开太阳系的能力，因为我们刚刚在美国看到的同样的反应会让我们的排气速度比传统的太空推进器快一千倍，也就是说，两周内就能到达火星。如果它能驾驭推进力，它的潜力是不可思议的。因此，它在多个应用中利用了同样的能力。
金色礼物给戴眼镜的人喘息的机会
Tom Schutzius，苏黎世联邦理工学院
当前的寒流意味着许多眼镜佩戴者将面临一个熟悉的问题:起雾。在口罩时代尤其常见，当温暖潮湿的空气——比如呼吸——遇到镜片冰冷的表面时。水凝结成数以百万计的小水滴，散射了穿过的光线，模糊了你的视线。解决这个问题的一种方法——除了擦拭你的眼镜——是在镜片上添加一层吸水涂层，将水滴拉成连续的薄膜，防止散射问题。但这些涂层不是很坚固，经常需要经常重新涂敷。N现在，苏黎世联邦理工学院的Tom Schutzius和他的团队想出了一种解决这个问题的新方法:用一种由微小的金颗粒制成的涂层，这种涂层对可见光是透明的，但会强烈吸收红外光或热量，从而加热透镜表面，首先防止凝结形成……
汤姆-雾真的很烦人，只是因为你想看，所以光已经存在了。比如说，你能不能利用周围的阳光，比如房间里的光线。我们首先看到的是我们真正能得到的东西。所以如果我们坚持用阳光，有相当多的光当然是在可见光谱中到达我们的。这实际上占了大约50%的能量，但实际上还有另外50%是我们在红外波长中感受到的热量。这就是我们要做的。然后我们专注于开发一种涂层，既能吸收红外线又能在可见光下保持透明。
詹姆斯:这就说得通了，这一层要用在玻璃上，当然涂层必须是透明的。你得出了什么结论?你是如何克服这个问题的?
汤姆:我们最终选定的方法是利用所谓的等离子效应。这是一种效应，当你有一个金属粒子，金属是有用的，因为它们是导电的，它们有很多自由电子，可以吸收有电场的光。你把它撞击到这样一个粒子上，使这些电子相互碰撞，振荡和移动，这样它们就能吸收一些能量。有不同的金属可以用来做这个，其中一个非常好的是黄金。金有一个很好的特性，当它是一个小粒子时，当你用可见光照射它时，粒子周围的电子云可以共振振荡。所以它在特定的光波长度上变成了非常非常强的吸收剂。我们决定了，我们说，“好吧，我们该怎么调音呢?”所以如果你改变尺寸，你可以开始得到两种不同的波长，它就变成了一个强吸收剂。然后如果你有两个或三个粒子，你开始把它们挤在一起，你可以得到的不仅仅是一个波长，而是一个更宽的波长。因此，我们调整了包装和结构，使其在可见光谱中是透明的，但对我们来说，它更能吸收红外线。 So we had this nice balance of properties.
詹姆斯-我抓住你了-利用太阳的能量。但我不认为黄金是一种透明的材料?
汤姆:所以当它是大块材料时，比如薄膜，它看起来就像一面镜子，就像银一样。但是，当你开始分解它，使它变得非常非常小，不再是连续的薄膜，而是微小的颗粒，它不再具有体积反射行为。同时，给你们一些背景知识，我们使用的这些小结构和粒子比它们相互作用的光的波长要小得多。所以这是一种纳米级的特性。
詹姆斯:我想这大概回答了我的下一个问题，但人们会听说有一种新的含金涂层，这可能会让他们担心，当他们下次去看眼镜时，这种防雾涂层会成为他们新眼镜上昂贵的附加物。会是这样吗?还是说我们面对的是这么少量的黄金?
汤姆:我最近刚买了一些眼镜，他们已经做了很多层了，我甚至都不记得了，但我印象中的每一层眼镜都在我现有的眼镜上增加了不少成本。但关键是，因为材料的数量非常少——我们要处理的材料层非常非常薄——材料的成本实际上并不是一个重要的方面。虽然我不会告诉你，如果你有它在那里，你仍然可以告诉你的朋友和家人，当然，你有黄金，你有点花哨，但它不会增加一个显着的成本。
詹姆斯:这个以黄金为成分的超薄层能有其他用途吗?还是仅限于在眼镜上使用?
汤姆:不，它当然可以用来做其他事情。我认为我们在这里谈论它是因为能见度非常令人讨厌，而且对我们来说也存在安全问题。但你也可以想想传感器之类的东西。现在很多东西，尤其是汽车和所有的东西，都依赖于传感器，它们看到的很多东西和我们看到的很相似。所以那里有雾也会成为一个大问题。所以有了这样的涂层也能带来好处不仅仅是为了我们解决这个相当恼人的问题，还能解决其他更重要的安全问题和传感等等。
花改变形状以吸引昆虫
Edwige moyrod，塞恩斯伯里实验室
我们35%的食物直接来自需要授粉的植物，所以了解植物和它们的传粉者之间的关系确实符合我们的最大利益。一项新的研究有了一个有趣的发现，一些开花植物可以改变花瓣的化学成分来改变角质层的形状——也就是植物的外层“皮肤”——这就会在花表面产生褶皱，也就是条纹。结果是一个更加锯齿状的纹理，也改变了花的颜色，使它更蓝。但为什么要这样做呢?剑桥大学塞恩斯伯里实验室的Edwige moyrod接受了Will Tingle的采访。
Edwige -我们很惊讶地发现各种各样的植物都在创造这些条纹。有趣的是，它们并不完美。我的意思是它们的厚度不完全一样。它们在细胞上的扩散有一点不同。这就是我们所说的无序，不同的开花植物有不同程度的无序。但这种紊乱总是产生相同的颜色，总是将效果转移到光谱的蓝色UV端。这是第一个线索，表明这不是偶然的，因为理论上你可以创造出各种不同颜色的无序。那么为什么它总是向蓝色移动呢?我们知道的一件事是，实际上蓝色和紫外线是传粉者能很好地看到的颜色。我们在紫外线下看不见东西，但很多昆虫可以。 So our idea was maybe this is a way plants create blue. And this was particularly interesting because it's quite difficult to make blue by other means. Using pigment to make blue is really tricky. People have been trying to create blue roses for a long time and it's never worked. It's never blue. It's like dark purple. And one idea we've got, it's also quite expensive and complicated to produce this pigment, whereas the cuticle is there no matter what. So creating the striation is quite simple and it's a nice way to appear blue when you shouldn't because you don't have the right pigment for it. So this was just an idea. And then we did all sorts of bee experiments to see if really bees can see it. And the long story short is, they can see it. And actually if you create this striation, if you create this blue effect, it makes the flowers stand out more. So instead of spending a lot of time looking for flowers, the bee can see them much more efficiently. So our idea is that by creating this kind of structural color, this allows flowers to really stand out from the crowd and it gives them an advantage.
威尔:生活在这里的植物和生活在热带地区的同一种植物身上的这种条纹是一样的吗?
Edwige -我们使用花园的收藏品。所以很多这些物种都不是英国本土的。有些是杂草，到处蔓延。其中一些更本地化。所以从理论上讲，这种现象几乎在任何地方都可能发生。我们意识到这与其说是植物生长的特征，不如说是花的特征。所以你可以有花，复杂的形状。有些很接近，有些是开放的。我们意识到的是，我们检测到的所有花朵，它们的形状都很简单，有点像杯子，这意味着它们直接暴露在光线下。因为如果你在闭合的花朵内部产生条纹，那就没有意义了。 You can't interact with the light. So it's more characteristic that these flowers have. The other characteristic is many of them that don't remain open for very long, meaning that they have one shot at attracting pollinators. So maybe that's an extra selective pressure to be really shiny and really attractive.
威尔:这对我们保护昆虫的能力有什么影响?因为我们三分之一的食物是通过授粉创造的。所以希望这意味着我们可以利用这些信息来更好地保护它们。
Edwige -没错。所以从理论上讲，我们了解植物如何制造这种结构的动机之一是一旦你了解了它们是如何制造的，你就有能力设计它们，让它们变得更好，或者把它们转移到不能制造这种结构的植物上。所以我们还没有在不能产生条纹的植物上产生条纹并研究其效果。但理论上我们是可以做到的。更重要的是，在不修改植物的情况下，这可以给我们一些想法，如果你想加强授粉，什么样的物种适合引入一个新的媒介?什么样的物种会脱颖而出。还有一种叫做彩虹色的物种，这种物种可以利用光的把戏，可能是一种让面粉更突出的好方法。
威尔:你认为这对我们保护这些植物有什么帮助?
Edwige -就保护而言，这很困难，因为我们距离了解传粉者如何与自然栖息地的植物相互作用还有很长的路要走。我们对传粉媒介所做的所有实验都是在控制条件下进行的，这对我们很有帮助，因为我们可以确定我们观察到的确实是由于特定的特征。所以条纹的存在，创造颜色的能力。我们接下来要做的是进入这个领域，真正观察正在发生的事情。特别是在某些区域，我们是非常相似的物种，但有些有条纹，有些没有。至少有一种情况下，没有条纹的物种似乎正在下降。所以我们很容易说，嗯，它在下降，因为它失去了条纹，但我们真的不知道。所以这是我们需要更好理解的一件事。
地下空气中的金属纳米粒子
理查德·哈里森，剑桥大学
上周，我们看了一些磁铁如何在现代科学中留下印记的例子。就像伦敦的公交车一样，另一辆公交车紧随其后!或者应该是地铁?剑桥大学的研究人员一直在使用磁性技术发现伦敦地铁被微小的金属颗粒污染，这些金属颗粒非常小，最终可以进入人体血液。他们的研究结果发表在本周的《科学报告》(Scientific Reports)上，采集的样本来自国王十字车站(King’s Cross)和帕丁顿车站(Paddington)等一系列热门车站的站台、售票大厅和列车操作员车厢。理查德·哈里森将和我们一起解释……
理查德:我们在伦敦地铁里发现了大量的氧化铁纳米颗粒，这是我们用磁监测技术发现的。这些是在伦敦地铁内部产生的纳米粒子当火车轨道的金属和地铁车轮的金属相互摩擦时。摩擦力也存在于这些火车的刹车系统中。如果你想象一个刹车盘，你必须经常更换你的车。这是因为它们会随着时间的推移而磨损。这个磨蚀过程是产生丰富的富含铁的纳米粒子的一种非常有效的方法。这就是我们可以用磁监测方法成功地捕捉和描述的。
克里斯-当我读到你的文章时，我非常震惊，地铁的空气质量比地上的空气质量还要差，伦敦实际上是世界上空气污染最严重的城市之一。
理查德:是的，这是个大问题。这是令人惊讶的，因为你认为进入一个封闭的环境，如伦敦地铁，你可能会避免很多空气污染，你会看到在伦敦的街道上。但是污染仍然存在。关键的是，这也是一种非常不同的污染。在地面上，你接触到的主要是汽车排气管排出的微粒物质，而在地下系统中，你没有这些物质，因为一切都是电气化的。所以你更多的是被这些未暴露的排放物所控制这些排放物是由车轮和轨道之间的磨损过程以及制动系统之类的东西引起的。
克里斯:你认为它们对健康有害吗?如果它们是氧化铁的碎片，它们实际上就是铁锈颗粒，不是吗?
是的，基本上。这方面的工作越来越多。从健康的角度来看，对这些非废气排放的研究不如废气排放那么充分。关于它们对健康的长期影响，有相互矛盾的证据。但现在开始出现了一些研究，重点关注这些排放。最近有一项基于伦敦地铁颗粒的研究显示，例如，暴露在这些颗粒中的老鼠感染肺炎球菌的风险增加。有大量的研究表明这些很小的氧化铁颗粒可以进入人体甚至进入人类大脑有人认为它们与阿尔茨海默氏症等疾病有关。
这是新的污染还是我们只是在制造和回收旧的污染?因为这是过去的地下旅行留下的遗产，你只是发现每次火车呼啸而过，它就会抛出更多的东西?或者，这真的是由每辆刹车的列车重新产生的吗?
理查德:嗯，可能是两者的混合，但我们发现的一个令人惊讶的结果是，我们用磁性方法观察到的粒子是一种高度氧化的铁。当这些纳米颗粒刚刚产生时，它们是金属的，但它们暴露在空气中会氧化。它们在空气中停留的时间越长，氧化程度就越高。所以我们很惊讶地发现，我们看到的很多颗粒都是这种高度氧化的形式，这表明它们已经存在了一段时间。很难确切地知道这些粒子有多长时间，正如你所说的，每当火车经过时，它们就会重新悬浮起来。所以粒子将会产生，但是系统中似乎也有相当多的遗留粒子可以被清除。
- 以前的深入研究海洋学
- 下一个同卵双胞胎会死于同样的疾病吗?
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